面向?qū)嵺`創(chuàng)新人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)研究

沈珊瑚　姚茂群

摘要：在以培養(yǎng)面向?qū)嵺`創(chuàng)新人才為目標(biāo)的前提下，通過(guò)對(duì)最近3年在嵌入式系統(tǒng)等相關(guān)課程教學(xué)方面的探索，文章闡述了教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，特別是在創(chuàng)新答辯和學(xué)生觀摩分享環(huán)節(jié)上，分析實(shí)驗(yàn)課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)的成效，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的“口袋實(shí)驗(yàn)室”和未來(lái)新式教學(xué)方式做介紹。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；實(shí)踐創(chuàng)新

0.引言

目前我國(guó)實(shí)行創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，正在逐步落實(shí)深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，本校為順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的新趨勢(shì)，正在為進(jìn)一步提高學(xué)校發(fā)展水平和培養(yǎng)特色人才做一系列的教學(xué)改革。物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)試點(diǎn)學(xué)院的高校產(chǎn)學(xué)對(duì)接特需專(zhuān)業(yè)，對(duì)專(zhuān)業(yè)教師在課堂內(nèi)如何對(duì)學(xué)生培養(yǎng)提出了更進(jìn)一步的要求。

嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程屬于非理論課程，需要與實(shí)踐緊密結(jié)合。基于物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)課程培養(yǎng)方案的需要，著重面向物聯(lián)網(wǎng)工程本科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，課程包含“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”和“嵌入式操作系統(tǒng)”兩門(mén)課。前者重點(diǎn)討論基于ARMCortex-M3內(nèi)核的原理和設(shè)計(jì)實(shí)踐，后者討論嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)容。本文的教學(xué)探索過(guò)程和成果主要來(lái)自于前者，故下文將圍繞該重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

1.存在問(wèn)題

1.1嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容龐大，不能全部涉及

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)相對(duì)于其他一些專(zhuān)業(yè)課來(lái)講還比較年輕，其教學(xué)內(nèi)容較為前沿，教材及教輔材料相對(duì)匱乏。另一方面，有些培訓(xùn)資料對(duì)ARM相關(guān)的技術(shù)雖講得很透徹，但由于內(nèi)容過(guò)于龐大，需要讀者有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。因此，就如何整理教學(xué)資料，轉(zhuǎn)化知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的零基礎(chǔ)學(xué)生能夠?qū)W得好，需要做進(jìn)一步的研究。

1.2軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的理念不夠

作為32位處理器，ARM各個(gè)系列芯片硬件資源非常豐富，相應(yīng)地進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的代碼編寫(xiě)也是內(nèi)容豐富。通常學(xué)生僅僅是對(duì)硬件資源進(jìn)行單一的學(xué)習(xí)，或者單一地認(rèn)為嵌入式開(kāi)發(fā)就是寫(xiě)代碼。對(duì)此，學(xué)生對(duì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的理念還沒(méi)有很好地理解。但嵌入式系統(tǒng)的一大特點(diǎn)恰恰在于，既需要了解硬件，又需要了解軟件，在這方面，還需要加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

1.3考核方式過(guò)于單一

嵌入式系統(tǒng)課程過(guò)往的考核方式比較單一，有的單純只是進(jìn)行期末考試。這樣的考核方式，對(duì)學(xué)生而言，既沒(méi)有對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的激勵(lì)，同時(shí)卷面成績(jī)也并不能全面地反映一個(gè)學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)情況。如果采用“過(guò)程性評(píng)價(jià)”方式，讓學(xué)生在整個(gè)學(xué)期中都能夠有3-4次的考核評(píng)價(jià)，將能夠在一定程度上激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果。

1.4學(xué)生課外自學(xué)條件不夠

電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)往往都有一些實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)必須去實(shí)驗(yàn)室。而嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)可以做一些顛覆，改變以往開(kāi)發(fā)板不能外借的傳統(tǒng)，讓學(xué)生在課下積極地投入到實(shí)驗(yàn)中，而真正實(shí)驗(yàn)課堂上，教師要檢驗(yàn)學(xué)生課下學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行評(píng)價(jià)及指導(dǎo)的同時(shí)，又調(diào)動(dòng)了學(xué)生課外實(shí)踐的積極性。

1.5對(duì)課程認(rèn)識(shí)不夠

對(duì)課程的認(rèn)識(shí)也是影響教學(xué)效果的重要方面。任課教師需要讓學(xué)生了解業(yè)界的情況，讓學(xué)生知道所學(xué)的知識(shí)是非常有益的，如果學(xué)生能夠理解課程設(shè)置的重要性，就必然會(huì)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

2.改革方式

2.1教材選擇

嵌入式系統(tǒng)的教材比較少，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置和專(zhuān)業(yè)實(shí)際情況，我們選取了同濟(jì)大學(xué)的教材。該教材的特點(diǎn)是內(nèi)容相對(duì)完整，不足之處是實(shí)際案例比較少。為了達(dá)到實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)，我們另外結(jié)合培訓(xùn)的教材，并且自編講義對(duì)案例進(jìn)行了擴(kuò)充，特別是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)用到的庫(kù)函數(shù)及開(kāi)發(fā)手冊(cè)進(jìn)行了增補(bǔ)。通過(guò)教材和精選項(xiàng)目實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的教學(xué)目的。

2.2章節(jié)安排

學(xué)生進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，就必須了解嵌入式系統(tǒng)的基本概念、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、輸入輸出口使用、串口、定時(shí)器等，由于有前期51單片機(jī)的課程，學(xué)生對(duì)這些基本概念不會(huì)陌生，重點(diǎn)需要向?qū)W生講清楚5l單片機(jī)與ARM處理器相關(guān)的外設(shè)有哪些區(qū)別以及獨(dú)特之處。表1顯示課程的教學(xué)章節(jié)選擇及理論課時(shí)分配。剩余課時(shí)均為實(shí)驗(yàn)課時(shí)。通過(guò)近乎1（理論課時(shí)）：1（實(shí)驗(yàn)課時(shí)）的課時(shí)比例配置來(lái)強(qiáng)化基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過(guò)程的重要性（見(jiàn)表1）。

2.3實(shí)驗(yàn)安排

將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)兩大類(lèi)。在期末學(xué)生總成績(jī)構(gòu)成中，出勤和平時(shí)作業(yè)成績(jī)占比20%，期末考試成績(jī)占比40%，另外40%是實(shí)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)成績(jī)由基礎(chǔ)和創(chuàng)新各占50%組成。目前我們給學(xué)生準(zhǔn)備了5套原子開(kāi)發(fā)板（有額外的實(shí)驗(yàn)?zāi)K），以后將逐步增加到20套，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室還有20套資源相對(duì)較少的開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板附屬資源十分豐富，教學(xué)視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、交流論壇等極大地方便了學(xué)生學(xué)習(xí)。未來(lái)的規(guī)劃是每?jī)蓚€(gè)學(xué)生分享一塊開(kāi)發(fā)板及其附屬模塊。這樣的安排將真正做到“口袋實(shí)驗(yàn)室”的模式，才能將實(shí)驗(yàn)室搬到教室之外。

2.4答辯安排

本次教改探索的另一個(gè)方案就是將平時(shí)實(shí)驗(yàn)課程改成學(xué)生實(shí)踐答辯課程。因?yàn)闇?zhǔn)備了相對(duì)充足的“口袋實(shí)驗(yàn)室”，所以在一定程度上保障了這一教改的實(shí)現(xiàn)。基于此，教師從單純的上課，改變?yōu)橹笇?dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從教學(xué)效果上看，若干個(gè)項(xiàng)目學(xué)生都完全實(shí)現(xiàn)，而且基礎(chǔ)相對(duì)較弱的學(xué)生也從同伴互相學(xué)習(xí)和討論中受益，相比單純的教師課堂講授，學(xué)習(xí)效果更加明顯。我們將其稱(chēng)為創(chuàng)新答辯環(huán)節(jié)和學(xué)生觀摩分享環(huán)節(jié)。

2.5創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新這項(xiàng)措施激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。創(chuàng)新范圍是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，如增添新的功能，代碼增加及改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作品的呈現(xiàn)等。按照不同層次的學(xué)生情況，實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了進(jìn)階分類(lèi)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)原型創(chuàng)造。系統(tǒng)原型創(chuàng)造在圖1中用虛線(xiàn)表示，是物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)接下去要進(jìn)行教改的方向，將對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提升，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行原型系統(tǒng)創(chuàng)造。

表2是大多數(shù)學(xué)生所能夠呈現(xiàn)出的創(chuàng)新作品，這些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的答辯促進(jìn)了學(xué)生自身的思考，在過(guò)去學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，教師只是單純地進(jìn)行閱讀，卻并沒(méi)有形成一個(gè)互動(dòng)思考的過(guò)程。如今教學(xué)改革帶來(lái)的是教學(xué)相長(zhǎng)，在促進(jìn)學(xué)生思考的同是也為教師的教學(xué)方式帶來(lái)啟發(fā)。

2.6基礎(chǔ)知識(shí)考核

期末試卷重在考核學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的情況。這些知識(shí)點(diǎn)是區(qū)別于微機(jī)原理之類(lèi)的課程的，突出考核嵌入式的特有的一些知識(shí)點(diǎn)。基于前期的實(shí)踐基礎(chǔ)，期末的試卷考核主要是考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。后續(xù)將探索以“系統(tǒng)原型創(chuàng)造”來(lái)替代基礎(chǔ)知識(shí)考核。

3.實(shí)踐效果的比較與進(jìn)一步改革措施

3.1學(xué)生反饋

對(duì)一個(gè)班級(jí)的45位學(xué)生進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生都有類(lèi)似的認(rèn)知，即“這門(mén)課光看書(shū)覺(jué)得很多，很雜，很枯燥”；學(xué)生從2年微機(jī)原理的學(xué)習(xí)一下子跨到基于ARM和STM32開(kāi)發(fā)板的嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)，這個(gè)過(guò)程的難度非常大，但是經(jīng)過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生又感嘆收獲很多，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚的興趣。這其中，“口袋實(shí)驗(yàn)室”設(shè)計(jì)和創(chuàng)新答辯環(huán)節(jié)激發(fā)了學(xué)生的興趣，學(xué)生在答辯時(shí)分享著自己的實(shí)驗(yàn)成果，既提升了自豪感又促進(jìn)了其他學(xué)生的積極性。在這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，教師將原來(lái)單純講嵌入式系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程，更多地轉(zhuǎn)變成引導(dǎo)學(xué)生如何出實(shí)驗(yàn)成果的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)視頻、嵌入式開(kāi)發(fā)資料進(jìn)行自學(xué)，這一過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)很多有意思的實(shí)驗(yàn)成果。

表3總結(jié)了一些學(xué)生的觀點(diǎn)。

3.2第二課堂成長(zhǎng)

可以說(shuō)嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下了一定的基礎(chǔ)。參加過(guò)實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)的學(xué)生更愿意去參加其他的實(shí)踐項(xiàng)目，并且更具有想法和能力。兩者相互促進(jìn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與能力。在產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式下，經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生的知識(shí)面更廣，更加積極地參與老師的科研項(xiàng)目，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)特色項(xiàng)目的進(jìn)一步提升。

3.3和先進(jìn)教學(xué)手段——慕課相結(jié)合

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)非常需要實(shí)踐，教師需要花更多的時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐指導(dǎo)及創(chuàng)新引導(dǎo)，就勢(shì)必會(huì)減少課本內(nèi)容的講解。前文提及單純的內(nèi)容講解十分枯燥，學(xué)生難以聽(tīng)進(jìn)去，所以需要將常規(guī)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)先的視頻錄制，結(jié)合現(xiàn)在的慕課教學(xué)方式，讓學(xué)生通過(guò)課余時(shí)間多多自行消化吸收。為了強(qiáng)調(diào)實(shí)踐過(guò)程，在壓縮理論課時(shí)的同時(shí)，一定要使學(xué)生具備課外自學(xué)的條件和積極性，這方面，新型教學(xué)手段如MOOC和SPOC的引進(jìn)將得以大大地改觀。

4.結(jié)語(yǔ)

就嵌入式系統(tǒng)教學(xué)而言，物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的同時(shí)又極具教學(xué)改革挑戰(zhàn)的課程。本文以常規(guī)的教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題為切人點(diǎn)進(jìn)行探索和思考，歸納了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，并分析了教學(xué)改革的成效。創(chuàng)新答辯環(huán)節(jié)和學(xué)生觀摩分享環(huán)節(jié)為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)注入了新鮮的空氣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得了學(xué)生的一致好評(píng)。后續(xù)我們將繼續(xù)保留這些環(huán)節(jié)，并結(jié)合慕課進(jìn)程，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，積極探索實(shí)踐教學(xué)改革，并將在物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)其他課程中做進(jìn)一步的教學(xué)研究，力爭(zhēng)使物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生能真正成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。